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Industrielle Automation 3/2016

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Industrielle Automation 3/2016

Eine Klasse für sich

Eine Klasse für sich Komplexe Bildvorverarbeitung einfach, schnell und ohne VHDL- Programmierung realisieren Nicole Steinicke, Alexandra Pisek Bildverarbeitungsaufgaben werden zunehmend anspruchsvoller. Damit steigen auch die Anforderungen an die Verarbeitung und Auswertung eines höheren Datenvolumens. Warum also nicht die Bildvorverarbeitung vom PC in den FPGA der Kamera verlagern? Wir gehen dieser Fragestellung auf den Grund. 01 CMOS-Kameras mit VisualApplets-Technologie und GigE Vision Nicole Steinicke, Alexandra Pisek, Redaktion INDUSTRIELLE AUTOMATION, Mirko Benz, Produktmanager, Vision Competence Center bei Baumer Komplexe Mess- und Prüfaufgaben in kurzer Zeit erfolgreich lösen – das ist der Anspruch, dem sich moderne Bildverarbeitungslösungen stellen müssen. Als Alternative zur visuellen Prüfung sind Bildverarbeitungssysteme mittlerweile in vielen Bereichen der Produktionsautomatisierung und Qualitätssicherung fester Bestandteil des Prüfprozesses geworden. Sie ermöglicht die Kontrolle der Lage und Position von Bauteilen, dokumentiert in Echtzeit, berührungslos und mit hoher Wiederholgenauigkeit Gut/Schlecht-Aussagen, unterstützt die zuverlässige Inspektion von Oberflächen und überprüft geometrische Abmessungen. Die Industrielle Bildverarbeitung hilft also, mehrere Kriterien gleichzeitig zu prüfen, diese zu analysieren und zu dokumentieren, Prozesse zu steuern und damit die Produktqualität zu erhöhen. Ein Unternehmen, das sich unter anderem auf diesen Bereich spezialisiert hat ist Baumer. Das Bildverarbeitungsportfolio umfasst die passenden Komponenten von der Industriekamera bis hin zu Vision-Sensoren; und das mit Sensorauflösungen von VGA bis 20 MPx. Zu den Einsatzgebieten zählen auch Applikationen in der Verpackungs- und Druckinspektion, der automatisierten Mess- und Prüftechnik sowie in der Robotik. Die CCD- und CMOS-Digitalkameras lassen sich schnell und flexibel in bestehende Anlagen und Prozesse integrieren, auch in rauen Industrieumgebungen und sind mit allen relevanten standardisierten Schnittstellen wie GigE Vision, USB3- Vision und Camera Link ausgestattet. Industrielle Bildvorverarbeitung intelligent lösen Viele Anwendungen stellen immer höhere Anforderungen an Auflösung, Bildrate, Qua lität und Zuverlässigkeit der Bildverarbeitung. Dafür stehen entsprechende Bildsensoren und Schnittstellen sowie leistungsfähige PCs zur Verfügung, die auch Daten mit mehreren Gigabyte pro Sekunde zum PC übertragen. Deren Einsatz erfordert jedoch häufig aufwändige Anpassungen des Systemaufbaus oder sogar Eigenentwicklungen, was nicht immer die beste und wirtschaftlichste Lösung ist. Wie könnten also dazu Alternativen aussehen? Einen modernen Ansatz, bei dem Teile der Bildverarbeitung auf komfortable Art und Weise bereits in der Kamera ausgeführt werden, liefert Baumer mit den neuen Visual -Applets-Kameras der LX-Serie. Damit erweitert das Unternehmen den erfolgreichen PC-basierten Ansatz um die Nutzung des Kamera-FPGAs zur intelligenten Lösung anspruchsvoller Inspek tionsaufgaben. Wir in der Redaktion haben diese Entwicklung genauer unter die Lupe genommen und sprachen dazu mit Mirko Benz. 78 INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2016

„So profitieren Sie von einer höheren Applikationsperformance und geringeren Systemkosten” Baumer hat Ende 2015 eine neue Klasse von CMOS-Kameras auf den Markt gebracht, die mit der grafischen Entwicklungsumgebung VisualApplets von Silicon Software ausgestattet ist. Was ist das Besondere daran? Das Besondere an unserem Ansatz ist, dass der Endkunde selbst den FPGA der Kamera programmieren kann, um die Leistungsfähigkeit seines Bildverarbeitungssystems zu steigern. Möglich wird dies durch die Verwendung von VisualApplets von Silicon Software. Mit dieser grafischen Programmierumgebung kann der Anwender FPGA-Code eigenständig umsetzen und die Firmware mit unserem Update-Tool in die Kamera laden. Es heißt, Teile der Bildverarbeitung werden auf einfachste Art und Weise bereits in der Kamera ausgeführt. Wie sieht das genau aus? Im Gegensatz zu einer Standardkamera werden dem Anwender FPGA-, Speicherund I/O- Ressourcen zur Verfügung Welche Vorteile bietet die integrierte Bildvorverarbeitung dem Anwender? Setzt der Anwender VisualApplets bereits ein, kann er seinen bestehenden Algorithmus anpassen und die Kosten für bisher notwendige Framegrabber einsparen. Außerdem können eigene Bildverarbeitungsalgorithmen flexibel umgesetzt werden – ohne dass bei sich ändernden Anforderungen eine neue Kamera entwickelt werden muss. So kann sich der Anwender ganz auf die Lösung seiner Bildverarbeitungsanwendung konzentrieren und muss kein Know-how der Kameraelektronik aufbauen. Auch Systemkosten, die durch hohe Datenmengen verursacht werden, können reduziert werden, z. B. indem weniger PCs verwendet werden. Das spart Zeit bei der Integration und späteren Systempflege. Dank der GigE Vision konformen Schnittstelle hat der Kunde zusätzlich auch mehr Flexibilität beim Einsatz längerer Kabel, so dass spezielle Repeater wie bei Camera Link nicht erforderlich sind – auch das spart Systemkosten. Für welche Anwendungsbereiche eignet sich die Kamera im Speziellen? Die Kameras eignen sich für eine Vielzahl von Applikationen. Hauptanwendungen liegen in der Bildverbesserung, z. B. bei der Mittelwertbildung über mehrere Bilder zur Rauschreduktion oder in der intelligenten Datenreduktion wenn nur die relevanten Bildausschnitte und Bildinformationen ermittelt und übertragen werden sollen. Aber auch die Prozessüberwachung und Echtzeitsteuerung sind wichtige Themen. Die LX VisualApplets Kameras ermöglichen eine integrierte Bildvorverarbeitung direkt auf dem FPGA, um Bilddaten mit sehr hoher Auflösung und Geschwindigkeit effizient zu verarbeiten. gestellt. Diese kann er frei nutzen und seine eigene Bildvorverarbeitung mittels VisualApplets umsetzen. Dazu braucht er keine speziellen Vorkenntnisse der Hardwareprogrammierung. Der Algorithmus wird auf Basis von Operatoren erstellt, die flexibel zu Flussdiagrammen kombiniert werden. Die Operatorbibliothek sowie eine Vielzahl von Beispielen unterstützen den Anwender dabei. Die Umsetzung kann mit der integrierten Simulation dann bildbasiert überprüft werden. Im Anschluss kann eine neue Firmware für die Kamera generiert werden. Die Umsetzung erfolgt standardkonform. So sind auch alle neuen Parameter des Algorithmus im xml-File der Kamera abgebildet und lassen sich einfach per GigE-Vision Software zur Laufzeit konfigurieren. Auf dieser Basis können auch anspruchsvolle Algorithmen mit hoher Performance effizient innerhalb weniger Tage umgesetzt werden. Eine applikationsspezifische Bildvorverarbeitung in der Kamera bedeutet meist eine anspruchsvolle und aufwändige FPGA-Programmierung durch den Endanwender, die VHDL-Programmierkenntnisse erfordert. Wie ist Baumer mit dieser Herausforderung umgegangen? Eine applikationsspezifische Umsetzung von Algorithmen für die Bildvorverarbeitung mit VHDL ist in der Regel nur für große OEMs wirtschaftlich sinnvoll. Wir wollten jedoch eine Lösung für eine Vielzahl von Kunden anbieten, die über Softwareentwickler mit hohem Know-how bezüglich Bildverarbeitung verfügen. Durch die Umsetzung der Vorverarbeitung mit VisualApplets sind diese Mitarbeiter in der Lage die Kamerafunktionalität selbstständig anzupassen. Dazu bedarf es keiner Kenntnis von VHDL-Programmierung. Das reduziert den sonst hohen Zeitaufwand und senkt die Entwicklungskosten. 02 Mirko Benz ist Produktmanager im Vision Competence Center bei Baumer Welche Kameramodelle bieten Sie konkret an? Die Serienproduktion haben wir mit drei monochromen Modellen mit Auflösungen von 4, 12 und 20 Megapixel gestartet. Sie verfügen über moderne CMOS-Sensoren mit hoher Bildrate und sind mit einer GigE-Schnittstelle ausgestattet. Vielen Dank für das Gespräch. www.baumer.com INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2016 79

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